Multímetro

Universidad de Sonora

Departamento de Físi a

Prá ti a 03

Multímetro digital

Instrumenta ión II

María Fernanda Moreno López

Li en iatura en Físi a

Grupo 1 , Horario 17:00-19:00

Hermosillo - 8 de septiembre de 2015

Multímetro digital 3 Resumen teóri o

1. Introdu ión

El multímetro digital es un instrumento ele tróni o de medi ión que se usa pa-

ra al ular voltaje, resisten ia y orriente, aunque dependiendo del modelo de

multímetro puede medir otras magnitudes omo apa itan ia y temperatura.

Gra ias al multímetro podemos omprobar el orre to fun ionamiento de los

omponentes y ir uitos ele tróni os.

Aunque existen multímetros analógi os y digitales, ahora es más omún en on-

trarlos digitales ya que estos uentan on la ventaja de ser mas exa tos en las

medi iones al no presentar los errores de visión al leer la po o pre isa aguja de

medi ión analógi a.

2. Objetivos

1. Cono er el fun ionamiento interno de un multímetro digital.

2. Identi ar las ara terísti as de un multímetro digital.

3. Resumen teóri o

El pro eso de medi ión onsiste en determinar experimentalmente el valor de

una magnitud físi a on un instrumento o dispositivo ade uado y veri ar uán-

tas ve es es mayor o menor este valor que la unidad de la magnitud en uestión.

Existen dos métodos de medi ión de magnitudes elé tri as, la medi ión de des-

via ión on instrumentos de medi ión dire ta y la medi ión por ompara ión

por medio de puentes o ompensa ión. En el primer método se usan dispositi-

vos de medida on indi a ión analógi a o digital que permiten leer dire tamente

la magnitud a medir o al ularla partiendo de la indi a ión. En el segundo aso,

un dispositivo de medida apropiado sirve por ompara ión on otra ono ida de

la misma índole.

Un multímetro digital es un instrumento de medi ión de parámetros elé tri os

mediante pro edimientos ele tróni os, on alta pre isión y estabilidad y amplio

rango de medi ión de valores y tipos de parámetros. La forma de presenta ión

de la informa ión medida es mediante una presenta ión digital (display). Los

parámetros que pueden ser leídos por un solo instrumento ontempla voltaje y

orriente DC y CA, valores RMS y/ó pi o, resisten ia y ondu tan ia, ganan ia

en dB, apa itan ia, probadores de semi ondu tores, temperatura y fre uen ia.

Esta amplia posibilidad de leer distintos parámetros es debido al uso de on-

versores de esos parámetros en voltajes DC los uales son onvertidos mediante

un dispositivo de alta velo idad, de valores analógi os a digitales y luego pre-

sentados en el display. El dispositivo al ual se ha e referen ia es un onversor

Análogo/Digital que usa distintas té ni as de onversión de a uerdo a la reso-

María Fernanda Moreno López 1 Instrumenta ión II


lu ión, velo idad de respuesta y pre isión bus ada.

El ir uito interno de los multímetros digitales puede bási amente dividirse en

dos se iones: una analógi a y otra digital. La se ión digital esta ompuesta

por el onversor analógi o a digital (en algunos instrumentos esta onversión

es he ha por medio de un ir uito mi ropro esador) y una pantalla de dígitos

(display), que puede ser de led o de ristal líquido.

Se ión analógi a

Esta se ión está ompuesta por divisores de tensión y orriente de entrada,

onversor de orriente alterna a ontinua, onversor de resisten ia a voltaje

ontinuo, tensión de referen ia, fuente de alimenta ión, dete tor de pi o y llaves

de sele ión de rango y fun iones.

Para la medi ión de orriente (CC o CA), la señal a medir se apli a en las

terminales ommon y mA. En serie on la terminal mA existe un fusible de

prote ión on el n de evitar que ir ule una orriente mayor a la que es apaz

de soportar y proteger el ir uito del instrumento e impedir que se estropeé.

Para medir tensión (CC o CA), temperatura, apa itansia, fre uen ia, u otra,

la señal se apli a en las terminales ommon y v-ohm. Desde estas terminales,

las señales ir ulan a los es aladores y llaves de fun iones.

Llaves de rangos

Generalmente son resisten ias que toman una muestra redu ida de la señal a

medir para poder pro esarla. Esta llaves también asignan el rango de la es ala

de la señal. Algunos instrumentes de auto rango sele ionan automati amente

la es ala de la señal, esto es por que son ontrolados por mi ropro esadores y

presentan solo una llave de fun ión.



En el aso de sele ión de fun ión CC, para medir orriente o tensión ontinua,

esta llave dire iona dire tamente la señal de salida desde la llave de rangos

ha ia entrada del onversor A/D.

En el aso de sele ión de fun ión CA, para medir orriente ó tensión alterna,

la llave dire iona la señal de salida desde llave de rangos ha ia el onversor de

CA a CC y después al onversor A/D.

Conversor CA/CC

Convierte la señal alterna apli ada a su entrada en una señal CC ompatible

on la entrada del onversor A/D. Este onversor CA/CC puede ser de valor

medio o de valor e az. De a uerdo a la forma de onversión de orriente, las

le turas de los instrumentos serán distintas entre ellos.

El valor e az o RMS es el valor de la raíz uadrada de la suma de los uadrados

de las omponentes alternas y ontinuas. Físi amente equivale al valor de la

orriente ontinua que produ e la misma antidad de energía sobre un resistor

que la señal de alterna.

Conversor de valor promedio

Los onversores de valor promedio generan un valor medio de la señal alterna

a medir. Consiste en un ir uito re ti ador de media onda y un ltro de pre-

isión ompuesto por un ir uito integrado y dos diodos olo ados en el lazo

de realimenta ión. Este tipo de onversor es el más omúnmente usado en los

multímetros digitales.

Además estos onversores tienen un límite máximo de fre uen ias de entrada

del orden de unos 100 a 200 KHz y normalmente un límite inferior de unos 40

a 45 Hz. Esto es porque los diodos responden al valor medio en un rango de

fre uen ias, a altas fre uen ias omienza a tener omportamiento apa itivo y

el valor re ti ado es menor. En baja fre uen ia, es difí il obtener una señal

ltrada libre de ondula iones, ha iendo que la le tura sea u tuante.



El ir uito es alibrado en valores RMS de señales senoidales, si se intenta medir

señales distorsionadas, uadras o triangulares, el valos indi ado por el instru-

mento será erróneo. Para ese aso es ne esario ontar on un instrumento de

le tura de verdadero valor e az.

Verdadero Valor E az

Un amplitud e az (RMS) de una señal alterna es aquel valor de tensión o

orriente alterna que produ e la misma disipa ión de poten ia sobre una deter-

minada resisten ia, que la produ ida por una tensión o orriente ontinua de

igual valor numéri o. O sea, el valor e az es una medida del efe to térmi o que

produ e la orriente alterna.

Matemáti amente se expresa omo el valor de la raíz uadrada del uadrado del

valor instantáneo.

Vrms =»

V 2

ins

A diferen ia de los onversores de promedio, estos ir uitos onversores RMS

son mu ho mas omplejos y ostosos pero son mas pre isos y permiten leer el

verdadero valor e az de ualquier tipo de señal alterna ya sea senoidal pura,

uadrada, triangular o distorsionada; tienen mayor an ho de banda, pueden leer

tensión/ orriente de alterna on ontinua superpuesta, son insensibles a la dis-

torsión y pueden ser de respuesta más rápida.

Conversor de resisten ia/ ondu tan ia

Para medir resisten ia o su inversa ( ondu tan ia) el multímetro modi a su

onexionado interno de modo que la opera ión del onversor A/D se modi a

un po o.

Bási amente el instrumento se onstituye en un ir uito serie alimentado por

la batería interna o por una fuente de referen ia. Este ir uito estará formado

por la resisten ia des ono ida olo ada en los terminales V-Ohm y COMMON,

una resisten ia de referen ia y la fuente de referen ia. La rela ión de las dos

resisten ias (la de referen ia y la des ono ida) es igual a la rela ión de aídas de

tensión de las respe tivas resisten ias. Por lo tanto, omo se ono e el valor de

la resisten ia de referen ia, el valor de la resisten ia des ono ida puede ser al-

ulada determinando la rela ión de las aídas de tensión en ambas resisten ias.



Esta determina ión la ha e el onversor Análogo a Digital.

VRx

−VRref

=Rx

Rref

En las medi iones de tensión normales, el onversor A/D ompara una tensión

interna de referen ia on la tensión de entrada des ono ida. De esta ompara-

ión, determina el valor de la tensión des ono ida. En el aso de medi ión de

resisten ia, el onversor Análogo a Digital, usa omo tensión de referen ia a la

aída de tensión sobre la resisten ia de referen ia interna y la ompara ión de

las aídas las realiza midiendo los tiempos de subida y de bajada del integrador

interno. Esto lo realiza el onversor A/D.

La ondu tan ia es la inversa de la resisten ia y se expresa en Siemens.

Conductancia =1

R= [S]

En las medi iones de la ondu tan ia, se usa el mismo ir uito usado para medir

resisten ia. La diferen ia se presenta en la forma de ingresar los valores de las

aídas de tensión en las resisten ias al onversor A/D. En este aso, a la entrada

de referen ia del onversor A/D se ingresa el valor de la aída en la resisten ia

des ono ida y a la entrada normal se ingresa el valor de la aída de tensión en la

resisten ia de referen ia. En onse uen ia se ha e una ompara ión de la inversa

de la resisten ia, o sea la ondu tan ia.

El método de medi ión de ondu tan ia es sumamente ade uado para medir

altas resisten ias, resisten ias de pérdida de apa itores y diodos o semi on-

du tores, resisten ia de pérdidas de aisla ión de one tores, ables, ir uitos

impresos, et .

Módulo de medi ión de fre uen ia

Algunos multímetros digitales tienen una fun ión extra para medi ión de fre-

uen ia. Normalmente este tipo de medi iones son he has en instrumentos on-

trolados por un mi ro ontrolador.

En este aso, al sele ionar la fun ión fre uen ia, la salida de la llave de fun iones

es one tada a un omparador analógi o. Este ompara el valor instantáneo de

la señal de entrada on un valor de tensión de referen ia. Si el valor de entrada

es mayor al nivel de referen ia, olo a la salida del omparador en un nivel alto

(próximo al valor de la fuente de alimenta ión).

Si el valor de entrada es menor al nivel de referen ia, olo a la salida del om-

parador en un nivel bajo (próximo al valor de la tierra elé tri a). Cuando se

le apli a una señal alterna, la salida del omparador ambiará de estado de

a uerdo on los ambios de amplitud de la señal de entrada. Esto genera pulsos

uadrados que van a una ompuerta que se abre durante un tiempo dado por

un reloj a ristal. Los pulsos que pasan por la ompuerta son ontados por el

mi ropro esador.

A mayor fre uen ia de la señal in ógnita, mayor será la antidad de pulsos que


Multímetro digital 5 Desarrollo teóri o

pasen por la ompuerta, de modo que la antidad de pulsos ontados será pro-

por ional a la fre uen ia des ono ida.

El mi ropro esador también se en arga, si la fre uen ia es muy baja, de realizar

una medi ión de periodo para mejorar la resolu ión de le tura.

El rango de fre uen ias a medir, en este aso, es normalmente mayor al espe i-

ado para medi iones de tensión y orriente alterna.

4. Material y equipo

1. Multímetro digital Fluke 817

2. Generador de fun iones

3. Fuente de voltaje ajustable de 0-10 volts

4. Tarjeta para ir uitos

5. Tres pares de resisten ias on valores distintos (po a resisten ia, resisten ia

moderada, gran resisten ia)

6. Tres apa itores de distinta apa idad

7. 3 Diodos distintos (de al menos dos materiales diferentes)

5. Desarrollo teóri o

Se apli a la teoría de la ley de tensiones de Kir hho y la ley de Ohm al siguiente

ir uito para al ular Vo usando R1=R2=98.4 ohms:

−

+

10

R1

R2 Vo

Vt = VR1 + VR2 (1)

Como las resisten ias son del mismo valor, la aída de voltaje en ada una de

ella es la misma. Lo anterior se puede demostrar por la ley de Ohm:


Multímetro digital 6 Desarrollo experimental

Vt = I(R1 +R2) = I · 2R (2)

Como se dijo antes R1=R2

I =Vt

2R(3)

Para la aída de voltaje en R2:

Vo = IR (4)

Sustituyendo (3) en (4)

Vo =Vt

2R·R =

Vt

2(5)

Para el siguiente arreglo de resisten ias R1 = 1.96k y R2 = 1.97k se espera un

ligera varia ión en el voltaje medido en Vo por no ser identi amente iguales. Y

por último, en el ter er par de resisten ias R1 = 10.18M y R2 = 10.26M también

se esperaría un valor de aproximadamente la mitad el voltaje de entrada.

6. Desarrollo experimental

1. Asegurarse de tener los ono imientos bási os para el uso de un multíme-

tro.

2. Medir ada uno de los valores de las resisten ias on el multímetro y

ompararlo on su valor nominal. Registrar los valores.

3. Contruir on el primer par de resisten ias iguales el ir uito

4. Medir el voltaje Vo

5. Reemplazar por los otros pares de resisten ias y repetir la medi ión del

voltaje Vo. Registrarlos en una tabla.

6. Medir las apa itan ias de los apa itores on el multímetros y ompararlo

on el valor que indi an los en apsulados.

7. Probar tres diodos distintos e interpretar las le turas del multímetro.

8. Ajustar el generador de fun iones a onda senoidal de 1kHZ y un valor

jo de amplitud. Medir la amplitud y la fre uen ia on el multímetro y

omparar on un os ilos opio.

9. Aumentar la es ala de la fre uen ia hasta un valor muy alto y registrar lo

que o urre en la medi ión del multímetro.


Multímetro digital 7 Resultados

6.1. Medi iones del experimento

Las medi iones de las resisten ias y del voltaje Vo se muestran en la siguiente

tabla:

R nominal (Ω) R medida(Ω) Vo

R1 100 98.4 5.00

R2 100 98.4

R3 2k 1.96k 5.01

R4 2k 1.97k

R5 10M 10.18M 3.40

R6 10M 10.26M

Las medi iones on los apa itores son las siguientes:

C nominal (µF) C medido (µF)

C1 100.00 101.00

C2 4.70 7.11

C3 6.80 0.40

C4 22.0

Las medi iones on los diodos:

Nombre V Material

1NS401 0.49 sili io

1N4001 0.47 sili io

LED 1.77 otros

Medi iones de la amplitud y fre uen ia tomadas por el multímetro y el os ilos-

opio:

Fre uen ia(Hz) Volt. os ilos opio (v) Volt. multímetro (v)

1.09k 1.033 1.068

10.8k 1.108 1.065

13.70k 1.100 1.064

50.00k 1.113 1.003

104.00k 1.104 0.796

153.00k 1.114 0.638

219.80k 1.122 0.000

7. Resultados

Los resultados obtenidos teóri amente para Vo en los tres arreglos de resisten ias,

respe tivamente, fueron:


Multímetro digital 8 Gráfi as

Vo = 5.00v

Vo = 5.02v

Vo = 4.98v

7.1. Compara ión de resultados

R nominal (Ω) R medida(Ω) R Error% Vo experimental Vo teóri o V Error%

R1 100 98.4 1.62 5.00 5.00 0

R2 100 98.4 1.62

R3 2k 1.96k 2.04 5.01 5.02 0.19

R4 2k 1.97k 1.53

R5 10M 10.18M 1.76 3.40 4.98 31.72

R6 10M 10.26M 2.55

C nominal (µF) C medido (µF) C Error%

C1 100.00 101.00 0.99

C2 4.70 7.11 33.89

C3 6.80 0.40 1600

8. Grá as

La siguiente grá a ompara la línea dibujada por las medi iones de la amplitud

de voltaje en fun ión de la fre uen ia de una onda senoidal realizadas por un

os ilos opio (línea ontínua) y un multímetro (línea más gruesa).

0

0.2

0.4

0.6

0.8

1

1.2

0 50 100 150 200 250

Voltaje

V

Frecuencia Hz

Mediciones

OsciloscopioMultimetro


Multímetro digital 9 Con lusiones

9. Con lusiones

Para ha er un análisis de las medi iones obtenidas, se onsultó el manual del

usuario del multímetro FLUKE para los modelos 187 y 189.

El manual nos indi a que estos modelos tienen un onvertidor de voltaje de

verdadero RMS omo el que se detalló en la se ión de resumen teóri o. Esto

nos lleva a on luir que es un multímetro de alta pre isión y útil para medir el

voltaje rms en ondas triangulares y uadradas, ademas de las senoidales.

La ompara ión de los valores en las resisten ias y apa itores se en uentran

entre un rango del 0.99 al 33.89%. En su mayoría, el multímetro realizó medi-

iones bastante pare idas a las indi adas en el ódigo de olores, en el aso de

las resisten ias y en el en apsulado de los apa itores.

La razón por la ual se despre ió la medi ión del apa itor C3 es por que se

inrió que este estaba en mal estado. El error del 33.89% en el apa itor C2

también se atribuye a sus numerables usos en prá ti as pasadas.

En el aso de las medi iones del voltaje variando el rango de la fre uen ia se

puede observar laramente el valor de la fre uen ia a la ual el multímetro deja

de arrojar medi iones a eptables.

Cuando la fre uen ia medida por el os ilos opio era de 153kHz, la diferen ia

de medi ión en la amplitud del voltaje de la fun ión era del 42.72%, asi un

50% de error entre las medi iones de los instrumentos. La razón del por que el

multímetro empieza a disminuir su e a ia de medi ión para fre uen ias muy

altas se expli a en la se ión de resumen teóri o.

Al aumentar aun más la fre uen ia, el multímetro llega a un punto en el ual

deja de medir algún valor útil. Esto se muestra en la grá a de la se ión de

grá as, donde se ha e una ompara ión de las medi iones realizadas por el os-

ilos opio y el multímetro.

El manual nos propor iona, entre otras mu has osas, una tabla de exa titud

para determinados rangos de fre uen ias. Esta tabla di e que la medi ión de

voltaje en orriente alterna del orden de 20kHz a 100kHz tiene una exa titud

del 8% + 40, lo ual se orrobora on la medi ión experimental. Se demuestra

que el límite de opera ión del multímetro es del orden de 100kHz.

Es de gran utilidad onsultar el manual de usuario de un instrumento de me-

di ión para ono er los límites en los uales fun iona de forma óptima para

así no sorprenderse on medi iones erróneas al momento de llevar a abo los

experimentos de investiga ión.


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